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實時GPS測量在公路工程中的應用

文章附圖

   目前,實時GPS動态測量的研究已獲得成功,即RTK定位技術,該技術保留了GPS測量的商精度,又具有實晨性,故獎具有RTK性能的GPS形象地稱為GPS全站儀。

一 實時GPS測量原理

  實時GPS測量以載波相位觀測值為基礎,不同于早先的實時差分GPS(RTD),RTD是建立在C/A碼僞距觀測值的基礎之上的一種實時定位技術,其精度隻能達到米級。

  靜态測量是用兩台或兩台以上GPS接收機同步觀測,對觀測值進行處理,可等到兩測站間精密的WGS-84基線向量,再經過平差、坐标傳遞、坐标轉換等工作,最終等到測點的坐标。顯然靜态測量不具備實時性。RTK定位技術則是實時動态測量,需要在兩台GPS接收機之間增加一套無線數字通訊系統(亦稱數據鍊),将兩相對獨立的GPS信号接收系統聯成有機的整體。基準站通過電台将觀測信息和觀測數據傳輸給流動站,流動站将基準站傳來的載波觀測信号與流動站本身的載波信号進行差分處理,解出兩站間的基線值,同時輸入相應的坐标轉換和投影參數,實時得到測點坐标。因此,實時GPS測量的關鍵除數據傳輸技術外,還需具有很強的數據處理能力。

  實時GPS系統由以下3部分組成:

1 GPS信号接收系統。從理論上講,雙頻接收機與單頻接收機均可用于實時GPS測量。但是單頻機進行整周未知數的初始化的需要很長的時間,此乃實時動态測量所不允許的;加之單頻機在實際作業時容易失鎖,失鎖後的重新初始化要占去許多時間。因此,實際作業中一般應采用雙頻機。

2 數據實時傳輸系統。 為把基準站的信息及觀測數據一并時傳輸到流動站,并與流動站的觀測數據進行實時處理,必須配置高質量的無線通訊設備(無線信号調制解調器)。由于數據信息量大,必須采用較高的傳輸速度,波特率通常要在9600以上。此項要求目前不難達到。利用數據實時傳輸系統,流動站可以随時凋閱基準站的工作狀态和高設站信息。這對于保證成果質量和排除觀測中出現的問題十分有利。

3 數據實時處理系統。 基準站将自身信息與觀測數據,通過數據鍊傳輸到流動站,流動站将從基準站接收到的信息與自身采集到的觀測數據組成差分觀測值。在整周未知數解算出以後,即可進行每曆無的實時處理。隻要保證鎖定四顆以上的衛星,并具有足夠的幾何圖形強度,就能随時給出厘米級的點位精度。因此必須具備功能很強的數據處理系統。目前該系統已發展成為多功能的完整系統。所以能成功地用于實際作業中。

二 實時GPS測量的特點

1 實時GPS測量保留了所有經典GPS功能。如靜态測量,快速靜态測量等,觀測數據亦可采用後處理的方式。靜态測量數據後處理的方式,是高精度控制測量中的理想方法。由于後處理定位的實時定位可以同時進行,所以能做到彼此互補,發揮各自特長。

2 經典的GPS測量因不具備實時性,而不能有用來放樣,放樣工作還得配備傳統的測量儀器,實時GPS測量彌補了這一缺陷。放樣精度可達到厘米級。

3 實現實時GPS測量的關鍵技術之一是快速解算載波的整周未知數。用經典的靜态相對定位法,解得整周示未知數并達到足夠精度,往往需要1個小時甚至更長的時間。在實時GPS測量中,盡管初始化時間和長短受到跟蹤觀測的衛星數,幾何圖形強度、多路徑效應、電離層幹擾等諸多因素影響,但已可在數分鐘之内完成。如借助快速動态定位,約需3分鐘;如采用動态環境下的初始化,約需1分鐘;如在已知點上進行初始化,僅有幾秒鐘足夠。這樣,測量中即使遇到障礙物(如穿過橋下或通過隐蔽地帶)造成失鎖,也可在重新捕獲到衛星後數分鐘内完成整周未知數初始化,繼續進行測量。

4 由于實時GPS測量成果是在野外觀測時實時提供,因此能在現場及時進行檢核,避免外業工作返工,例如,整周求知數初始化情況和測點點位精度等信息均可在作業現場進行核對。

5 能夠接收到GPS信号的任何地點,全天24小時均可進行實時GPS測量的放樣。

6 完成基準站的設置後,整個系統隻需一人持流動站接收機操作。也可設置幾個流動站,利用同一基準站觀測信息各自獨立開展工作。


三 實時GPS測量在公路建設中的應用

  GPS測量具有高精度、高效率的優點,在控制測量領域得到了廣泛的應用。随着GPS接收機性能和數據處理技術逐漸完善,GPS應用領域也不斷拓寬。實時GPS測量在公路工程中可發完成多種工作。

1 繪制大比例地形圖

  高等級公路選線多是在大比例尺(通常是1:2000或1:1000)帶狀地形圖上進行,用傳統方法測圖,先要建立控制網,然後進行碎部測量,繪制成大比例尺地形圖。其工作量大速度慢,花費時間長。用實時GPS動态測量,構成碎部點的數據。在室内即可由繪圖軟件成圖,由于隻需要采集碎部點的坐标和輸入其屬性信息,而且采集速度快,大大降低了測圖的難度,既省時又省力。

2 工程控制測量

  用GPS建立控制網,最精密的方法應屬靜态測量。對于大型建築物,如特大橋、隧道、互通式立交等進行控制。宜用靜态測量。而一般工程的控制測量,則可采用實時GPS動态測量。這種方法在測量過程中能實時獲得定位精度。當達到要求的點位精度,即可停止觀測,大大提高了作業效率。由于點與點之間一要求必須通視,便得測量更簡便易行。

3 公路中線測設

  設計人員在大比例尺帶狀地形圖上定線後,需将公路在地面标定出來。采用實時GPS測量,隻需将中線柱點的坐标輸入GPS接收機中,系統就會定出放樣的點位。由于每個點位的測量都是獨立的完成的,不會産生累積誤差,各點放樣精度趨于一緻。

4 公路縱、橫斷面測量

  公路中線确定後,利用中線樁點坐标,通過繪圖軟件,即可給出路線縱斷面和各樁點的橫斷面。由于所用數據都是測繪地形圖時采集來的,因此不需要再到現場進行縱、橫斷面測量。從而大大減少了外業工作。如果需要進行現場斷面測量時,也可采用實時GPS測量。與傳統方法相比,在精度、經濟、實用各方面都有明顯的優勢。

5 施工測量

  實時GPS系統既有良好的硬件,也有極豐富的軟件可選擇。施工中對點、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷。精度可達到厘米級。

6 變形觀測

  變形監測網具有毫米級的精度,比一般工程控制網高一個數量級。實踐表明,如果用較長的觀測時間,分幾個時段進行觀測,并采用強制對中,觀測時天線指北等措施,長度不超過4km的基線向量可達到2mm-3mm的精度。随着研究深化,GPS廣泛用于變形觀測是完全有可能的。


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